Apresentação do PowerPoint

Universidade de São Paulo
Grupo SOI - CMOS
Laboratório de Sistemas Integráveis
EXAME DE QUALIFICAÇÃO
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE ESPELHOS
DE CORRENTE BASEADOS EM TRANSISTORES
GC SOI MOSFET EM FUNÇÃO DA
TEMPERATURA
Aluno: Renato Silva Ferreira
Orientador: Marcelo Antonio Pavanello
SUMÁRIO
1 - OBJETIVO
2 - CONCEITOS BÁSICOS
3 - RESULTADOS SIMULADOS
4 - RESULTADOS EXPERIMENTAIS
5 - CONCLUSÃO
6 - PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO
OBJETIVO
Este trabalho faz um estudo comparativo do
comportamento
de
Espelhos
de
Corrente
fabricados com transistores GC SOI MOSFET e
SOI MOSFET Convencionais.
Para tanto são estudados o descasamento, o
desempenho do espelhamento e a resistência de
saída destes Espelhos de Corrente.
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
Perfil transversal de um
transistor SOI MOSFET
Convencional de canal n.
(VGF)
toxf
1ª Interface
tSi
2ª Interface
toxb
3ª Interface
(VGB)
Apresentando os
eletrodos: de porta (VGF)
e substrato (VGB), e as
espessuras: da camada
de silício (tSi), do óxido
de porta (toxf) e do óxido
enterrado (toxb).
São indicadas também
as três interfaces de SiSiO2 da estrutura.
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
Tipos de Transistores SOI MOSFET.
• SOI MOSFET de camada espessa:
Para o caso de tSi > 2.xdmax
“Parcialmente Depletado”
• SOI MOSFET de camada fina:
Para o caso de tSi < xdmax
“Totalmente Depletado”
• SOI MOSFET de camada média:
Para o caso de xdmax < tSi < 2.xdmax
CONCEITOS BÁSICOS
Tensão de Limiar
SOI MOSFET Convencional
2ª interface acumulada
Modelo
VthF
Experimental
totalmente depletada
2ª interface invertida
0V
VGB
Logo, para VGB,acc2 < VGB < VGB,inv2 (a situação em que a
segunda interface está em depleção) :
Vth1,depl 2  Vth1,acc 2
C Si  Coxb

 VGB  VGB,acc 2 
Coxf  C Si  Coxb 
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Perfil transversal de um
transistor GC SOI
MOSFET de canal n.
Apresentando os
eletrodos, as
espessuras, as
interfaces e o
comprimento de
máscara da porta (L) e a
dopagem gradual da
região do canal.
LLD é o comprimento da
região do canal com
dopagem reduzida.
CONCEITOS BÁSICOS
Vantagens do GC SOI
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
• Aumento da Corrente de Dreno
• Aumento da Transcondutância Máxima
• Reduzida Modulação do Comprimento de Canal
• Reduzida Condutância de Saída
• Aumento da Tensão Early
• Aumento da Tensão de Ruptura de Dreno, que
reduz o efeito bipolar parasitário da estrutura GC.
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
O aumento da temperatura afeta diretamente a
concentração intrínseca de portadores, de acordo com a
expressão:
ni  3,9 1016  T
3
2
e

 Eg
2

k

T


Assim, a elevação de ni com a temperatura reflete em
uma diminuição do potencial de Fermi (F):
k  T  N af 

F 
 ln 
q
 ni 
CONCEITOS BÁSICOS
Potencial de Fermi e
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Concentração Intrínseca
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
400
450
500
0,40
10
15
10
14
10
13
10
12
10
11
10
10
Potencial de Fermi [V]
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
F
0,05
ni
0,00
300
350
400
Temperatura [K]
450
500
-3
350
Concentração Intrínseca [cm ]
300
Um outro efeito
decorrente do
aumento de ni com
a temperatura é a
redução das
profundidades de
depleção da
primeira e segunda
interface
Temperatura Crítica
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Tensão de Limiar (Vth1)
1,6
MOS
convencional
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
SOI totalmente depletado
0,4
0
50
100
150
200
Temperatura (oC)
250
Colinge, J.P. Silicon-on-insulator technology: materials to VLSI,
2nd Edition. Massachusetts: Kluwer Academic Publishers, 2000.
Ao elevar a
temperatura em
transistores SOI de
camada fina
totalmente depletado,
ocorre a diminuição
da máxima largura de
depleção,
desacoplando-a. Logo
o transistor deixa de
ser totalmente
depletado acima
dessa temperatura
crítica TK.
CONCEITOS BÁSICOS
Tensão de Limiar
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
0,8
Observa-se que para
0,6
temperaturas abaixo
0,4
VthF [V]
de TK (241°C) os
0,2
dispositivos GC SOI
o
30 C
0,0
MOSFET não sofrem
o
100 C
o
-0,2
degradação
200 C
o
300 C
-0,4
-0,6
significativa da tensão
de limiar com o
0,0
0,2
0,4
LLD/L
0,6
0,8
Galeti, M. Análise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFET
em altas temperatures. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003.
aumento da relação
LLD/L.
Inclinação de Sublimiar
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Conventional FD SOI
GC SOI Devices
Slope [V/dec]
0.4
Em um dispositivo
SOI MOSFET
totalmente depletado
a variação da
0.2
inclinação de
sublimiar com a
temperatura não é
0.0
0
50
100
150
200
250
300
o
Temperature C
Galeti, M.; Pavanello, M. A.; Martino, J. A. Behavior of graded-channel
fully depleted SOI NMOSFET at high temperatures. Microeletronic
Technology and Devices – SBMICRO, v. 2002-8, p. 342-350, 2002.
linear.
CONCEITOS BÁSICOS
Mobilidade
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Um modelo simples e clássico da mobilidade, que inclui
o efeito da temperatura e as resistências de fonte e
dreno:
n  0 
1
1     R   VGF  Vth1 
Com a elevação da temperatura temos a diminuição na
mobilidade para baixo campo elétrico e um aumento da
resistência série de fonte e dreno.
 T 
0   273K  

273


m
R 
2   0  Coxf  RSD  W
L
CONCEITOS BÁSICOS
Mobilidade
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
SOI MOSFET canal n () e canal p ()
Por mais que a
resistência série
aumente, a redução de
0 é predominante,
levando uma redução do
coeficiente R. Logo o
termo (+R) diminui
com o aumento da
o
Temperatura ( C)
Gentinne, B. A study of potencial of SOI technology for analog
applications. Tese (Doutorado) – Laboratoire de Microélectronique
Faculte dês Sciences Appliquées, Université Catholique de Louvain,
Louvain-La-Neuve – Bélgica, 1996.
temperatura, atenuando
a redução da mobilidade
efetiva (n)
Ponto Invariante com a
Temperatura (ZTC)
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Existe um valor da tensão aplicada na porta
(VGF) para o qual a corrente de dreno (IDS) não sofre
variação com a temperatura, devido aos mecanismos
de compensação entre o aumento da corrente de
sublimiar e a redução da mobilidade com o aumento da
temperatura. Este ponto (Zero Temperature Coeficient,
ZTC) ocorre quando os transistores operam no regime
de saturação.
Ponto Invariante com a
Temperatura (ZTC)
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
45
40
o
50 C
o
IDS [A]
35
100 C
o
150 C
30
200 C
25
250 C
o
o
o
20
300 C
15
10
ZTC
VDS= 0,1V
VGB= 0V
5
0
0,0
0,5
VZTC 1,0
1,5
2,0
2,5
VGF [V]
Galeti, M. Análise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFET
em altas temperatures. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003.
CONCEITOS BÁSICOS
Espelho de Corrente
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelhos de Corrente (Current Mirror, CM)
são blocos analógicos utilizados para polarizar os
diversos ramos de um circuito ou apresentar-se
como carga ativa
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
A função do Espelho de Corrente consiste no
fornecimento de uma corrente de saída (IDSout),
semelhante a corrente de entrada (IDSin), para
qualquer tensão aplicada no dreno (VDSout) do
transistor
de
saída
(Q2),
contanto
que
as
dimensões dos transistores de entrada e saída
sejam idênticas, isto é, a razão P=IDSout/IDSin deve
ser mais próximo possível da unidade
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
Descasamento
Uma operação precisa de um Espelho de
Corrente depende fortemente do descasamento do
par de transistores utilizado.
O
descasamento
separando-o
em
pode
descasamento
ser
analisado
causado
por
parâmetros tecnológicos e/ou por parâmetros
geométricos.
CONCEITOS BÁSICOS
Parâmetro Tecnológico
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
Descasamento
A corrente é proporcional à (VGF-Vth1)2 na
saturação, qualquer variação de Vth1 significará em
alterações na corrente. Ocorre descasamento
também por modulação do comprimento de canal
() devido à queda de tensão no dreno.
Parâmetro Geométrico
A diferença da razão de aspecto (W/Leff) entre
o transistor de entrada e saída, ocasionada por um
desalinhamento de máscaras ou uma difusão
lateral.
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
Descasamento
Esses três diferentes efeitos combinados são
expressos por:
I DS
I DSin
W

Leff


W
Leff


  2  Vth1    V
DS
VGF  Vth1
Parâmetro Geométrico
Parâmetro Tecnológico
CONCEITOS BÁSICOS
Excursão de Saída
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
Descasamento
Para uma dada corrente de entrada, o Espelho de
Corrente deve possibilitar o espelhamento sem
distorção do sinal de entrada, com um intervalo
máximo de amplitudes para a corrente de saída.
Com isto, é possível diminuir as tensões de saída,
garantindo ainda o comportamento do
espelhamento da corrente de entrada na corrente
de saída.
CONCEITOS BÁSICOS
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
Descasamento
Resistência de Saída
Excursão de Saída
Um parâmetro tecnológico que melhor demonstra o
comportamento da excursão de saída é a
resistência de saída (ROUTPUT), que pode ser
expressa por:
R OUTPUT 
1
g Dout
gDout é a condutância de dreno do transistor da
saída do Espelho de Corrente:
I DSout
g Dout 
VEA
CONCEITOS BÁSICOS
VDS (GC SOI MOSFET) X VDS (Convencional)
SOI MOSFET Convencional
GC SOI MOSFET
Vantagens do GC SOI
Efeito da Temperatura
Espelho de Corrente
Descasamento
Excursão de Saída
70
VGT = 200mV
60
VDS (GC SOI MOSFET)
IDS [A]
50
40
30
20
SOI MOSFET Convencional
GC-LLD/L = 0,20
VDS (Convencional)
GC-LLD/L = 0,30
GC-LLD/L = 0,40
10
GC-LLD/L = 0,50
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
VDS [V]
2,5
3,0
3,5
4,0
Para o pior caso
da excursão de
saída dos
transistores GC
SOI, tem-se
melhores
resultados, do que
o melhor caso da
excursão de saída
do SOI
Convencional.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Foram utilizados os simuladores T-SUPREM4
e MEDICI. Do simulador TSUPREM-4 obtém-se o
arquivo contendo o transistor individual, o qual é
então convertido para o formato MEDICI. Em
seguida, utilizando o módulo de circuitos do
simulador MEDICI, é possível simular um circuito
Espelho de Corrente.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Utilizou-se, para este estudo, Espelhos de
Corrente
fabricados
com
transistores
SOI
Convencionais de L=2m e L=1m., e transistores
GC SOI de L=2m com razões LLD/L de 0,1; 0,2;
0,3; 0,4; 0,5.
tSi=90nm;
W=18m;
toxf=30nm;
Nab=1.1015cm-3;
toxb=400nm;
Naf=1.1017cm-3.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Comprimento Efetivo de Canal
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
A partir dos dados obtidos
na tabela é possível
observar o decréscimo da
tensão de limiar com o
aumento da temperatura,
devido aumento da
concentração intrínseca,
que diminui o potencial
de Fermi.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
SOI Convencional
com L = 2m
150
75
IDSout x Leff [A]
100
GC SOI com
LLD/L = 0,1
Temperatura de 300K
VGT = 200mV
75
50
Temperatura de 373K
VGT = 200mV
GC SOI com
LLD/L = 0,1
50
25
GC SOI com razões
LLD/L = 0,2 ; 0,3; 0,4; 0,5
25
GC SOI com razões
LLD/L = 0,2 ; 0,3; 0,4; 0,5
0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0,0
3,0
0,5
1,0
1,5
VDSout [V]
VDSout [V]
50
SOI Convencional
com L = 2m
SOI Convencional
com L = 1m
40
IDSout x Leff [A]
0,0
SOI Convencional
com L = 2m
SOI Convencional
com L = 1m
SOI Convencional
com L = 1m
125
IDSout x Leff [A]
100
Temperatura de 373K
VGT = 200mV
30
GC SOI com
LLD/L = 0,1
20
10
GC SOI com razões
LLD/L = 0,2 ; 0,3; 0,4; 0,5
0
0,0
0,5
1,0
1,5
VDSout [V]
2,0
2,5
3,0
2,0
2,5
3,0
RESULTADOS SIMULADOS
300K
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
O dispositivo GC SOI
SOI Convencional
com L = 2m
150
SOI Convencional
com L = 1m
IDSout x Leff [A]
125
100
com LLD/L=0,1 não
apresenta a mesma
GC SOI com
LLD/L = 0,1
Temperatura de 300K
VGT = 200mV
tendência dos demais
transistores GC SOI,
devido uma má
75
formação da região
50
menos dopada. Ou
GC SOI com razões
LLD/L = 0,2 ; 0,3; 0,4; 0,5
25
0
0,0
0,5
1,0
1,5
VDSout [V]
2,0
2,5
3,0
ocorreu difusão lateral,
após o processo de I.I.
para ajuste da tensão
de limiar.
RESULTADOS SIMULADOS
373K
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
A redução da corrente
100
SOI Convencional
com L = 2m
SOI Convencional
com L = 1m
da
do de
circuito
da saída
corrente
dreno do
IDSout x Leff [A]
75
Espelho
transistorde
deCorrente
saída do
Temperatura de 373K
VGT = 200mV
GC SOI com
o aumento
da
LLD/L = 0,1 com
Espelho
de Corrente
50
25
GC SOI com razões
LLD/L = 0,2 ; 0,3; 0,4; 0,5
0
0,0
0,5
1,0
O
ruim
decomportamento
dreno do transistor
1,5
VDSout [V]
2,0
2,5
3,0
temperatura,
fabricado comdevido
SOI
principalmente ao efeito
Convencional de
da temperatura sobre a
L=1m, ocorre devido
mobilidade dos elétrons,
aos efeitos de canal
que diminui ao elevar-se
curto.
a temperatura
RESULTADOS SIMULADOS
473K
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
50
SOI Convencional
com L = 2m
SOI Convencional
com L = 1m
A mesma tendência
IDSout x Leff [A]
40
30
de decréscimo da
Temperatura de 473K
VGT = 200mV
GC SOI com
LLD/L = 0,1
corrente de dreno
com a elevação da
20
temperatura é
10
0
0,0
GC SOI com razões
LLD/L = 0,2 ; 0,3; 0,4; 0,5
0,5
1,0
1,5
VDSout [V]
2,0
2,5
3,0
observada.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
60
VDSout (Convencional)
10
5
40
30
0
50
30
-5
10
10
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
VDSout [V]
2,5
-10
3,0
5
40
20
20
VDSout (GC SOI MOSFET)
0
0,0
0
GC SOI com LLD/L=0,3
-5
Temperatura de 300K
VGT = 200mV
0,5
1,0
1,5
2,0
VDSout [V]
2,5
-10
3,0
[(1/gD)' x gD]
50
15
10
IDSout [A]
IDSout [A]
60
70
15
SOI Convencional L=2m
Temperatura de 300K
VGT = 200mV
[(1/gD)' x gD]
70
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
SOI Convencional
Tensão de Saturação
IDSout [A]
60
50
15
SOI Convencional L=2m
Temperatura de 300K
VGT = 200mV
10
VDSout (Convencional)
5
40
30
0
20
-5
10
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
VDSout [V]
2,5
-10
3,0
[(1/gD)' x gD]
70
O segundo pico, o
O primeiro pico positivo
negativo, define o início
define
início
da
Atravéso da
diferença
de
do efeito bipolar
saturação
do dois
transistor
VDSout destes
picos
parasitário, portanto,
de
saída,
ou seja, V
DSout
tem-se
a variação
da
onde VDSout é igual a
igual
à tensão
de
excursão
de saída:
tensão de ruptura de
saturação do dreno
Vna curva IDsout x
dreno
(VDSsat).DS (Convencional)
VDSout.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
GC SOI MOSFET
Tensão de Saturação
70
15
60
IDSout [A]
50
VDSout (GC SOI MOSFET)
5
40
30
20
10
0
0,0
0
GC SOI com LLD/L=0,3
-5
Temperatura de 300K
VGT = 200mV
0,5
1,0
1,5
2,0
VDSout [V]
2,5
-10
3,0
[(1/gD)' x gD]
10
O fim da excursão de
O primeiro pico positivo
O
segundo
pico positivo
saída
é definida
da
refere-se à tensão de
refere-se
à tensão
mesma maneira
dode
SOI
saturação da região do
saturação
da região
Convencional,
sendodo
canal do transistor de
canal
do inicia
transistor
de
onde se
o efeito
saída GC SOI MOSFET
saída
SOI MOSFET
bipolarGC
parasitário,
mais dopada, definida
menos
quandodopada,
VDSout é também
igual a
como LHD .
conhecida
de LLD .de
tensão de ruptura
dreno na curva IDsout x
VDSout.
RESULTADOS SIMULADOS
Tensão Early do
Transistor de Saída
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Para obtenção da tensão Early foi utilizado o
método de regressão linear da curva da corrente
de dreno do transistor de saída do Espelho de
Corrente (IDSout) em função da tensão aplicada ao
dreno do mesmo transistor no circuito (VDSout), no
intervalo de 0,75  VDSout  1,5V, variando-se a
temperatura de 300K, 373K e 473K.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
GC e SOI Convencional de L=2m
SOI Convencional de L=1m
180
160
Um
máximo
para
Nota-se
que
os GC
Nos ponto
dispositivos
V
com
transistores
de se
saída do
EA, ocorre
SOI,
conforme
|VEA| [V]
140
L
circuito
não
sofremLLD/L
LD/L=0,4.
aumenta
à relação
120
100
Temperaturas:
300K
373K
473K
80
60
SOI Convencional
40
VGT = 200mV
20
0
0,0
0,1
0,2
0,3
LLD/L
0,4
0,5
variação
significativa
na
e
conseqüentemente
Para
valores
superiores
tensão
Early
com aEarly
reduz-se
o
de L /L,
a comprimento
tensão
LD
temperatura,
efetivo
canal, obtémtende ado
degradar-se
nos
concordando
com
o
se
uma elevação
de
transistores
GC
SOI,
mencionado
V
àna
estrutura
devido
à redução
do
EA, devido
literatura.
de
canal gradual.
comprimento
efetivo de
canal.
RESULTADOS SIMULADOS
Excursão de Saída
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Embora, a tensão de saturação seja maior nos
transistores de saída fabricados com GC SOI,
principalmente ao se elevar o valor da razão LLD/L,
a tensão de ruptura de dreno também é maior,
fazendo com que VDSout torne-se maior nos
Espelhos de Corrente utilizando GC SOI.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
GC e SOI Convencional de L=2m
SOI Convencional de L=1m
2,0
1,9
Temperaturas:
300K
373K
473K
1,8
VDSout [V]
1,7
1,6
Para
Observa-se
uma esse
relação
quevalor
V
LDSout
Em 473K
é/Lde
LD
de
é
sempre
0,2 obtém-se
superior
um
nos
aproximadamente
de
valor
Espelhos
de V
de
Corrente
20% entre
oDSout
GC
com
1,5
aproximadamente
fabricados
SOI
LLD/L=0,2 ecom
SOIGC50%
1,4
superior
do
que no
em
Espelho
relação
de
ao
Convencional
de L=2m,
1,3
obtido
Corrente
feitos
Espelhos
com
e cercacom
de
25%
entre de
o
1,2
VGT = 200mV
1,1
SOI Convencional
1,0
0,0
0,1
0,2
Corrente
dispositivos
SOI
com
GC com Lfabricados
LD/L=0,2 e SOI
SOI
Convencionais.
Convencionais,
em
Convencional
de L=1m.
0,3
LLD/L
0,4
0,5
temperatura ambiente.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
Espelhos de Corrente
Polarizados no ZTC
1,18
Razões LLD/L:
1,16
P = Iout/Iin
1,14
Dispositivos Polarizados no ponto ZTC
1,18
Temperaturas:
300K
373K
473K
1,16
P = Iout/Iin
1,20
Dispositivos Polarizados no ZTC
1,20
1,12
1,10
1,08
1,06
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1,14
1,12
1,10
1,08
VDSout = 1,5V
1,06
1,04 SOI Convencional
VDSout = 1,5V
1,02
0,0
0,1
0,2
0,3
LLD/L
0,4
0,5
1,04
1,02
300K
373K
Temperatura [T]
473K
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
Parte 1
Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC
Dispositivos Polarizados no ZTC
1,20
1,18
Temperaturas:
300K
373K
473K
1,16
P = Iout/Iin
A
Osmelhor
Espelhos
precisão
de Corrente
de
Pode-se notar que
espelhamento
GC SOI com razões
nos GC
LLDSOI
/L
Espelhos de Corrente
estão
entre 0,20
relacionadas
e 0,30 ao
fabricados com GC SOI
maior
apresentam
valor de
o melhor
tensão
aproximam-se mais da
Early,
desempenho.
e a uma maior
unidade do que os feitos
variação da excursão de
com SOI convencional.
saída, devido ao aumento
1,14
1,12
1,10
1,08
1,06
1,04 SOI Convencional
VDSout = 1,5V
1,02
0,0
0,1
0,2
0,3
LLD/L
0,4
0,5
da tensão de ruptura de
dreno nos transistores GC
SOI.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
Parte 2
Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC
1,20
Dispositivos Polarizados no ponto ZTC
1,18
Razões LLD/L:
P = Iout/Iin
1,16
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1,14
1,12
1,10
Os Espelhos de
Corrente GC SOI com
razões LLD/L entre
0,20 e 0,30
1,08
VDSout = 1,5V
1,06
apresentam o melhor
desempenho.
1,04
1,02
300K
373K
Temperatura [T]
473K
RESULTADOS SIMULADOS
Desempenho em
Altas Temperaturas
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC
O desempenho da precisão dos Espelhos de
Corrente é avaliada fixando-se VDSout em 1,5V e
variando-se VDSin na faixa entre 0V e 3V. Em 300K
e 473K.
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC
300K
Desempenho em Altas Temperaturas
P300 K = ( IDSout / IDSin ) 300K
1,8
1,6
SOI Convencional de L=2m
GC SOI com LLD/L = 0,10
Nota-se que os Espelhos de
GC SOI com LLD/L = 0,20
Corrente fabricados com GC
GC SOI com LLD/L = 0,30
SOI apresentam melhores
GC SOI com LLD/L = 0,40
GC SOI com LLD/L = 0,50
1,4
resultados entre as razões
1,2
1,0
0,8
-10
10
LLD/L de 0,2 e 0,3.
Concordando com as figuras
Temperatura de 300K.
VDSout = 1,5V
-9
10
-8
10
anteriores.
-7
10
-6
10
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
-5
-4
10
RESULTADOS SIMULADOS
Características da Simulação
Tensão de Limiar
Efeito da Temperatura em IDSout
Tensão de Saturação
Tensão Early do Transistor de Saída
Excursão de Saída
Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC
473K
P473 K = ( IDSout / IDSin ) 473K
Desempenho em Altas Temperaturas
1,6
SOI Convencional de L=2m
GC SOI com LLD/L = 0,10
Nota-se que os Espelhos de
1,5
GC SOI com LLD/L = 0,20
Corrente fabricados com GC
GC SOI com LLD/L = 0,30
1,4
GC SOI com LLD/L = 0,40
SOI apresentam melhores
GC SOI com LLD/L = 0,50
resultados entre as razões
1,3
Temperatura de 473K.
VDSout = 1,5V
1,2
LLD/L de 0,2 e 0,3. Mesmo
em alta temperatura.
1,1
Concordando com as figuras
1,0
-7
10
-6
10
-5
10
IDSin/(W/Leff) [ A ]
-4
10
anteriores.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Foi utilizado Espelhos de Corrente fabricados
no Laboratório de Microeletrônica da Universidade
Católica de Louvain (UCL).
Para as medidas experimentais foi utilizado o
analisador
de
parâmetros
do
semicondutor
HP4156C. E para controlar a temperatura na
câmera de vácuo foi utilizado o sistema K-20.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Com o intuito de explorar as capacidades o
transistor em Espelhos de Corrente foi utilizado
transistores SOI Convencionais e GC SOI com 2
m e 4 m de comprimento de canal. Como
característica principal, o processo SOI utilizado
possui:
tSi=80nm;
W=18m;
toxf=30nm;
Nab=1.1015cm-3;
toxb=390nm;
Naf=1.1017cm-3.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Desempenho em Altas Temperaturas
Inversão
Fraca
1,3
1,4
Inversão
Forte
Inversão
Moderada
P473K = ( IDSout / IDSin ) 473K
P300 K = ( IDSout / IDSin ) 300K
1,4
1,2
1,1
1,0
0,9
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
0,8
0,7
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
VDSout = 1,5V
0,6
-9
10
10
-8
10
-7
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
-5
10
-4
Inversão
Moderada
1,3
Inversão
Forte
1,2
1,1
1,0
0,9
VDSout = 1,5V
0,8
0,7
0,6
-9
10
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,22
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
Inversão
Fraca
10
-8
10
-7
10
-6
IDSin/(W/Leff) [A]
10
-5
10
-4
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
300K
Desempenho em Altas Temperaturas
P300 K = ( IDSout / IDSin ) 300K
1,4
Inversão
Fraca
1,3
Todos
espelhos
Os CMos
GC
SOI sãode
Inversão
Forte
Inversão
Moderada
corrente
melhoresutilizando
1,2
dispositivos
GC SOI
independentemente
1,1
MOSFET
do comprimento de
1,0
apresentaram
máscara do canal (L),
0,9
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
0,8
0,7
melhores
resultados
devido à extrema
nas
características
de
redução
da
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
VDSout = 1,5V
0,6
-9
10
10
-8
10
-7
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
saída,
isto é, de
P300K
condutância
saída,
10
-5
10
-4
mais
da
e por próximo
conseqüência
a
unidade.
elevada tensão Early
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
473K
Desempenho em Altas Temperaturas
Nota-se
a elevação
da
Os
Os
Espelhos
transistores
de GC
Corrente
Considerando todos
corrente
de
difusão ao
utilizando
SOI
são superiores
dispositivos
os transistores com
quando
a razão
Lde
LD/L
GC
implementado
SOI MOSFET
com
Nota-se
uma
faixa
mesmo L, o
é aumentada.
L=4m
dispositivos
apresentaram
SOIde
mais
adequada
desempenho
do
melhores
Convencionais
desempenhos
razões
LLD
/LCorrente
para
Espelho
de
P473K = ( IDSout / IDSin ) 473K
1,4
Inversão
Moderada
1,3
Inversão
Forte
1,2
1,1
1,0
0,9
VDSout = 1,5V
0,8
0,7
0,6
-9
10
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,22
do
que osum
fabricados
obter-se
melhor
com transistor
GC SOI
com
SOI MOSFET
desempenho.
de L /L=0,22 é
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
Inversão
Fraca
10
-8
10
-7
10
-6
IDSin/(W/Leff) [A]
LD
Convencionais.
superior ao com
10
-5
10
-4
LLD/L=0,46
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Desempenho em Altas Temperaturas
Resistência de Saída
10
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
[]
(LLD/L)eff = 0,23
(LLD/L)eff = 0,46
ROUTPUT [423K]
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
VDSout = 1,5V
-9
10
Inversão
Moderada
-8
10
-7
Inversão
Forte
10
-6
10
-5
10
-4
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
GC com (LLD/L)eff = 0,23
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
VDSout = 1,5V
10
IDSin/(W/Leff) [ A ]
Inversão
Fraca
-9
10
Inversão
Moderada
-8
10
-7
Inversão
Forte
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
[]
10
Inversão
Fraca
ROUTPUT [473K]
ROUTPUT [300K] [  ]
10
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
VDSout = 1,5V
GC com (LLD/L)eff = 0,23
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
Inversão
Moderada
Inversão
Fraca
-9
10
-8
10
-7
Inversão
Forte
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
-5
10
-4
10
-5
10
-4
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Desempenho em Altas Temperaturas
300K
ROUTPUT [300K] [  ]
10
Resistência de Saída
A resistência de saída
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
é maior em Espelhos
(LLD/L)eff = 0,23
(LLD/L)eff = 0,46
de Corrente utilizando
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
dispositivos GC SOI
MOSFET do que os
VDSout = 1,5V
10
dispositivos usando
SOI MOSFET
Inversão
Fraca
-9
10
Inversão
Moderada
-8
10
-7
Inversão
Forte
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
Convencionais, em
-5
10
-4
qualquer uma das
regiões operacionais.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Desempenho em Altas Temperaturas
423K
ROUTPUT [423K]
[]
10
Resistência de Saída
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
Os
Espelhos
de de
…com
a
temperatura
…nos
regimes
Corrente
utilizando
no
regime
de inversão
inversão
fraca
e
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
GC com (LLD/L)eff = 0,23
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
VDSout = 1,5V
10
Inversão
Fraca
-9
10
Inversão
Moderada
-8
10
-7
Inversão
Forte
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
-5
10
-4
dispositivos
SOIao
e
fraca.
moderada, GC
devido
SOI
Convencionais
aumento
da corrente
A estrutura de canal
com
L=2m, Os
e osdemais
SOI
de difusão.
gradual mostra-se
Convencionais
com
Espelhos de Corrente
eficiente em reduzir os
L=4m,
começam a
com L=4m
efeitos da temperatura
apresentar
deficiência
apresentam
uma
sobre a perda de
nas
características
de
menor
incidência da
desempenho do
saída…
degradação…
circuito.
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Características Experimentais
Desempenho em Altas Temperaturas
473K
ROUTPUT [473K]
[]
10
Resistência de Saída
Para o mesmo L
… da resistência de
(L=4m) a uma
saída na inversão
melhora do espelho
fraca e uma ordem de
de corrente utilizando
grandeza na inversão
GC em relação ao SOI
moderada.
Convencional, é
10
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
L=4m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,08
VDSout = 1,5V
GC com (LLD/L)eff = 0,23
GC com (LLD/L)eff = 0,46
L=2m:
SOI MOSFET Convencional
GC com (LLD/L)eff = 0,40
nitidamente
Inversão
Moderada
Inversão
Fraca
-9
10
-8
10
-7
Inversão
Forte
10
-6
IDSin/(W/Leff) [ A ]
10
apresentada com
-5
10
-4
cerca de duas ordens
de grandeza maior…
CONCLUSÃO
Os resultados das simulações indicaram uma
faixa de razões LLD/L (de 0,2 a 0,4), que
apresentam melhoras significativas na excursão de
saída
e
na
precisão
do
espelhamento,
principalmente operando no ponto invariante com a
temperatura.
CONCLUSÃO
Os resultados experimentais evidenciam um
comportamento melhor de Espelhos de Corrente
fabricados com dispositivos GC SOI ao elevar-se à
temperatura, pois o descasamento tecnológico é
amenizado por causa da elevada tensão Early, que
reduz o efeito da modulação do comprimento de
canal.
CONCLUSÃO
A resistência de saída nos transistores GC
SOI não sofrem variação significativa ao elevar-se
à temperatura.
O Espelho de Corrente implementado com
GC SOI MOSFET é um excelente candidato para
construir blocos analógicos operando em altas
temperaturas, especialmente para aplicações lowpower e low-voltage.
PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO
Um aprimoramento da análise da excursão
de saída será feito, juntamente com o estudo mais
aprofundado do comportamento dos Espelhos de
Corrente polarizados no ZTC. Propõem-se novas
medidas para evidenciar os efeitos dos parâmetros
tecnológicos (tensão de limiar e modulação do
comprimento
de
canal)
no
descasamento
e
simulações com os Espelhos de Corrente sendo
polarizados na inversão fraca em função da
temperatura.